一种多通道数据采集系统设计研究

马晓荣，吴银川

（1.陕西职业技术学院 陕西 西安 710100；2.西安石油大学 陕西 西安 710065）

数据采集技术主要研究信号数据的采集、存储、处理以及控制问题[1]，数据采集技术在工业应用中极为广泛[2－5]。本文以C8051F020单片机为核心设计了多通道数据采集硬件系统，该系统通过USB与计算机连接，USB实现采集系统的供电和数据通信。针对该硬件系统，采用VB6.0软件设计了上位机控制软件[6]。该系统实现8通道、12位A/D采集，最大采样速率为100 ksps；采集系统通过计算机控制，实现多通道数据采集、数据处理以及数据文件二进制存储等功能，实现数据的多通道便携式数据采集。

1 系统设计

数据采集系统框图如图1所示。整个采集系统由上位机计算机软件（VB6.0软件）控制，控制软件实现采集通道、采样频率、采样点数（时间）等参数选择控制；控制软件以二进制文件格式记录采集数据，一次接收数据结束，软件自动将包含参数、系统时间的文件存储在指定目录中，方便采集数据的保存。硬件采集系统与计算机通过USB连接，通过USB实现双向通信，整个硬件采集系统的电源通过USB供电；由于C8051F020单片机和VB6.0软件均不支持USB接口，这里采用Silicon Laboratories生产的 USB to UART器件 CP2102，厂家提供计算机驱动，在VB6.0软件中采用虚拟串口技术实现USB的操作，方便用户的计算机编程。单片机C8051F020是硬件采集系统的控制器件，一方面接收计算机的通信指令，解析通信指令并控制A/D的采集以及交叉开关的控制；另一方面将A/D采集的数据按约定的格式发送到计算机，实现数据的保存。采集系统中选用12位、最大采样速率100 ksps的A/D转换器，通过交叉开关实现信号的8通道采集。为了降低采集系统的复杂性，体现系统的便携性，故选用C8051F020内部集成的A/D转换器。

图1 多通道数据采集系统框图Fig.1 Block diagram of multi-channel data acquisition system

2 软件设计

2.1 软件界面设计

多通道数据采集系统控制软件界面如图2所示。输入文件名（中英文均可）；设置采集通道（可设置采集1通道到8通道，默认采集通道 AIN0）、采集时间（可设置 5～600 s，默认5 s）和采集频率（10～100 ksps，默认 10 ksps）；设置通信端口（COM1～COM5，默认是 COM1），软件中利用虚拟串口技术，即把CP2102芯片所占用的USB口在VB6.0软件中虚拟成COM口，具体系统分配的哪一个COM口，可在设备管理中查看即可，运行软件时选择对应的COM口，如图2中系统中分配的是COM3，然后单击打开端口控件，端口状态指示变为红色，说明通信端口设置正确，串口的传输速率固定为576 000 bps；单击应用，软件将以上参数设置编译成相关的控制命令通过USB口发送到下位机C8051F020，下位机根据接收的命令执行相应的操作。

图2 控制软件界面图Fig.2 Interface chart of control software

2.2 控制命令设计

控制命令[7]由标志位（4 位，FL3～FL0）、通道选择位（3 位，CH2～CH0）、采样频率位（7 位，SAF6～SAF0）和采样时间位（10位，SAT9～SAT0）共24位数组成。标志位为固定的4位的二进制数1010，当下位机接收到控制命令时首先判断标志位是否正确，若正确执行命令的解析，若错误不做任何操作。通道选择由3位的二进制数表示，如表1所示，用000～111共8种组合表示同时采集模拟通道数。采样频率的范围为0001010～1100100 （十进制数为10～100）， 对应采样频率为10～100 ksps。 采样时间的范围为 000000101～1000001000（对应的十进制数为5～600），对应采样时间的范围为5～600 s。组合控制命令格式如表2所示。例如参数设置为：采集通道0、采样频率10 ksps、采样时间5 s，依次发送到下位机的命令为：0xA0，0x28，0x0A，下位机 3 次接收完指令。

表1 采集通道选择Tab.1 Acquisition channel selection

2.3 握手命令设计

下位机接收到上位机的控制命令后，当接收到的FL3～FL0为1111时，下位机立即给上位机发送0xAA指令，上位机接收到0xAA后，弹出消息框说明指令发送成功。

表2 控制命令格式Tab.2 Control command format

2.4 数据传输和存储量计算

数据采集系统A/D采样率在10～100 ksps范围内，每个采样点需用两个字节 （12位）表示，这样采样间隔时间为10～100 μs。上位机和下位机之间的传输速率为576 000 bps，每个采样点（2个字节）的传输时间为28 μs，为了兼顾不同的采样率，下位机缓存采集的数据，适时发送数据。采集数据量按照为（采样率×采样时间×2）字节，例如当采样频率为100 ksps，采样时间为600 s时，数据存储量为12×107字节。

2.5 数据存储设计

多通道数据采集系统中选用12位A/D转换器，每个采样结果用12位的二进制数据表示，这里需要两个字节。下位机单片机收到控制命令、解析控制命令并启动A/D操作，单片机依次接收各通道的数据，暂存数据，并实时发送采集到的数据，上位机接收数据后，以二进制格式写入数据文件中，文件中的数据按照采样通道的顺序写入。

2.6 数据文件名设计

数据文件名设计应包含文件名、当前系统时间、采样通道、采样频率、采样时间等信息。如图2所示参数设置对应的文件名为：yali 20120528 AIN0 10 ksps 5 s这样在后续的数据处理中，做到见名知义。

2.7 交互式设计

便于操作者使用，控制软件在使用中采用交互式设计。若通信端口设置不正确，单击打开端口按钮，软件会弹出错误提示语，要求操作者重新设置。控制命令发送后，若接收到下位机发来的握手指令，软件则提示指令发送成功。接收数据时，通信指示灯不断闪亮，提示数据正在传输；数据接收时有进度条显示，显示完成接收数据的百分数，直至接收完成。

3 软件流程图

控制软件的流程如图3所示。启动软件后，输入文件名设置采样参数（采样通道、采集时间和采样频率），选择通信端口（根据计算机分配给CP2102的虚拟串口来设置），单击打开端口按钮，选择正确端口状态指示灯变红，如图2所示。当所有配置完成后单击应用按钮，命令发送，下位机接收正确命令后，发送握手指令，上位机接收到正确的握手命令时，软件提示指令发送成功。上位机软件接收数据并按采集通道的顺序存放，数据采集期间软件显示接收数据的百分数，直至接收数据完成，至此，执行数据采集完成，数据以二进制文件形式保存，方便后续对采集数据的后续处理。

图3 控制软件流程图Fig.3 Flow chart of the control software

4 结 论

本文设计了一种多通道数据采集系统，基于VB6.0软件，设计了上位机控制软件界面和控制命令，给出了控制软件的流程图，采集的多通道数据以二进制数据格式文件保存，文件名包含采样参数信息，方便对采样数据的后续处理。该设计成功用于阵列感应测井仪器的实验室研究中，实际应用表明，系统便携操作方便，达到了设计要求，取得满意的使用效果。

[1]吴银川，严正国，苏娟.基于DAQBench的数据采集系统的设计[J].仪器仪表用户，2008，15（3）:32-33.WU Yin-chuan，YAN Zheng-guo，SU Juan.Design of data acquisition system based on DAQBench[J].Electronic Instrumentation Customer，2008，15（3）:32-33.

[2]王东旅，杨俊峰，程宏才，等.地震数据采集系统中的数据传输系统设计[J].数据采集与处理，2011，26（4）:494-498.WANG Dong-lv，YANG Jun-feng，CHENG Hong-cai，et al.Data transmission system design in marine seismic data acquisition system[J].Journal of Data Acquisition &Processing，2011，26（4）:494-498.

[3]张煜，窦延娟，张晓东.机载激光雷达数据采集及数据处理[J].长江科学院院报，2010，27（1）:13-16，21.ZHANG Yu， DOU Yan-juan，ZHANG Xiao-dong.Airborne lidar data gathering and data processing[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（1）:13-16，21.

[4]王学伟，王彦硕.基于以太网的数据采集及监控系统的数据通信研究[J].北京化工大学学报，2006，33（1）:109-111.WANG Xue-wei，WANG Yan-shuo.Data communication based on Ethernet data acquisition and monitoring system[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology，2006，33（1）:109-111.

[5]梁志远.多通道数据采集系统软件设计[J].核电子学与探测技术，2010，30（3）:426-428.LIANG Zhi-yuan.A design of software about multi-channel dataacquisition[J].NuclearElectronics&Detection Technology，2010，30（3）:426-428.

[6]刘笃喜，王彩霞.VB在智能仪表的数据采集与处理中的应用[J].仪表技术与传感器，2008（12）:44-45 LIU Du-xi，WANG Cai-xia.Application of VB in data acquisition from intelligent instrument and data processing[J].Instrument Technique and Sensor，2008（12）:44-45.

[7]张家田，吕军，吴银川.一种高分辨率数据采集系统的设计[J].仪器仪表用户，2011，18（5）:89-90.ZHANG Jia-tian，LV Jun，WU Yin-chuan.Design of high resolution data acquisition system[J].Electronic Instrumentation Customer，2011，18（5）:89-90.